三项实验共同发现超出标准模型的迹象

来源 加州大学圣巴巴拉分校

翻译 朱梦轩

审校 金庄维

轻子的普适性 是啥？ 对一般人来说，这听起来似乎是《星际迷航》中的内容。

认真解释起来，我们需要用到粒子物理的标准模型，它描述并能预测已知粒子的行为，以及除了引力之外的所有作用力。已知粒子中包括了三种带电轻子：电子、 μ 子、τ 子。

标准模型有个基本假设：这几种带电轻子的相互作用是相同的，尽管它们有着不同的质量和寿命。这便是轻子的普适性。对电子和 μ 子进行比较的精确测试并没有显示出任何有违这一假设之处，但是最近关于更重的 τ 子的研究却对此提出了挑战。

一个国际物理学家团队通过分析三项实验的结果指出： 轻子的普适性，甚至是标准模型自身，都很有可能需要被修改。 该研究发表于《自然》杂志。

研究参与者，加州大学圣巴巴拉分校博士后曼努埃尔·弗朗哥·塞维利亚（Manuel Franco Sevilla）基于杰夫·里士满（Jeff Richman）和迈克尔·马祖尔（Michael Mazur）先前的工作，在斯坦福直线加速对撞机（SLAC）上的 BaBaR 实验中发现了第一个超出标准模型（BSM）的显著信号。弗朗哥·塞维利亚表示， 这个发现十分重要但并不是决定性的。类似的结果后来也在日本的 Belle 实验和瑞士 LHCb 实验上被发现。 综合这三个实验的结果，轻子的普适性在四个标准差的水平（即置信度99.95%）上受到了挑战。

BaBaR，即正反 B 介子探测器，以及 Belle 是 B 介子工厂。这些粒子对撞机被设计用来产生和探测 B 介子——一种在高能粒子束流对撞中产生的不稳定粒子，它们的性质和行为能够在非常干净的环境中被精确地测量。LHCb（大型强子对撞机 b）提供了一个更高能量的环境，使得 B 介子和大量的其他粒子更容易产生，但这也使得粒子鉴别更为困难。

尽管如此，这三个实验都测量了 B 介子衰变的相对比例，并发表了相似的结果。相对于电子和 μ 子，τ 子的衰变比例比标准模型预测的要高。

“因为电子和 μ 子已经被测量得比较好，τ 子将会成为（检验标准模型的）关键。”弗朗哥·塞维利亚解释道，“τ 子的测量更为困难，因为他们衰变得很快。现在物理学家能够（利用更好的技术来）更好地研究 τ 子，我们发现可能轻子普适性并不成立。”

尽管这个结果很有趣，但它还不足以推翻轻子的普适性。 推翻这一准则需要至少五个标准差的显著性水平。然而弗朗哥·塞维利亚提到，三个不同实验都观测到了超出预期的 τ 子衰变比例，这是十分值得关注的。

一旦被确认，这些结果将指向新粒子或新的相互作用，可能会带来大量的线索以理解粒子物理。“我们不确定长期来说这意味着什么。”弗朗哥·塞维利亚说，“但首先，我们需要确认这是真的，然后我们需要更多的实验来确定其中的意义。”

原文链接：

https://phys.org/news/2017-06-physicists-hint-phenomenon-standard-particle.html

【标题】 A challenge to lepton universality in B-meson decays

【作者】 Vera Lüth et al.

【期刊】Nature

【日期】2017.6.7

【摘要】 One of the key assumptions of the standard model of particle physics is that the interactions of the charged leptons, namely electrons, muons and taus, differ only because of their different masses. Whereas precision tests comparing processes involving electrons and muons have not revealed any definite violation of this assumption, recent studies of B-meson decays involving the higher-mass tau lepton have resulted in observations that challenge lepton universality at the level of four standard deviations. A confirmation of these results would point to new particles or interactions, and could have profound implications for our understanding of particle physics.

【链接】 https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7657/full/nature22346.html

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【标题】 Flavour-changing neutral currents making and breaking the standard model

【作者】 P. Owen et al.

【期刊】 Nature

【日期】2017.6.7

【摘要】 The standard model of particle physics is our best description yet of fundamental particles and their interactions, but it is known to be incomplete. As yet undiscovered particles and interactions might exist. One of the most powerful ways to search for new particles is by studying processes known as flavour-changing neutral current decays, whereby a quark changes its flavour without altering its electric charge. One example of such a transition is the decay of a beauty quark into a strange quark. Here we review some intriguing anomalies in these decays, which have revealed potential cracks in the standard model—hinting at the existence of new phenomena.

【链接】 https://www.nature.com/nature/journal/v546/n7657/full/nature21721.html

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